线性CCD 在大学物理落球法测粘滞系数实验的应用＊

梁维刚，廖永枢，唐子棉，岑圣东，方秋红，韦 博

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

0 引言

现广泛使用的激光计时器测量小球匀速下落过程中的速度实验装置仪器有着较大的局限性，因为小球下落时往往会受待测液体影响，使小球偏离垂直于激光的轨迹，小球在下落过程中难以穿过激光的现象，所以现有仪器对于测量小球在液体匀速下落的速度成功率不高，实验调节困难。

经过多次实验，通过arduino 绘图监视器，我们发现小球在经过线性CCD 前，线性CCD 图像有较为连续的上升和下降趋势，在小球经过线性CCD 时，图像的峰值部分突然出现短暂的明显下降，小球经过后图像又恢复。

利用此现象并经过后期程序数据处理后可以用于计算小球经过两个线性CCD 的时间，并且线性CCD 使的视角广阔，使得的小球的捕捉范围变大，有效提高了小球的捕捉率。综合考虑线性CCD 对光线的要求，实验装置的改进还考虑了光线对实验的影响，从而进一步减少外界环境对实验的影响。并通过改进后的装置进行实验测量得到实验数据，并进行数据分析，得到方案可行性分析。

1 线性CCD 在大学物理落球法测粘滞系数实验

1.1 TSL1401 线性CCD 工作原理

TSL1401 线性CCD 模块是由128 个感光单元构成的检测模块，每一个感光单元可以读取环境的光线强度并转换为电压输出，从而检测一个点的电压值，那么TSL1401 线性CCD 模块就是一个可以连续检测128个检测点的集成模块。同时，TSL1401线性CCD中有一行128个独立可视像素点，它能感应储存外界光信号，可以将得到的128个检测点的光信号转换成电压值并反馈成单行128个像素黑白灰度图像[1]。

图1 TSL1401 线性CCD 采集数据图像

1.2 实验仪器

1.2.1 核心部分

通过将传统的激光计时器用线性CCD 代替，线性CCD 与arduino 板进行连接，使其人员能够通过固定板上端的arduino 板里的复位键、指示灯、旋钮与蜂鸣器进行操作，随后由于线性CCD 测量范围广阔，能够在误差允许范围内识别到小球，提高小球捕捉率，同时由于使用线性CCD 测量，小球捕捉范围显著提升，实验过程中即使小球不是严格地在量筒中心位置垂直下落，线性CCD 也能识别到小球，对于小球初始位置的要求也放宽要求，一定程度上简化了实验操作。

Arduino 单片机：线性CCD 读取到的电平值输入到Arduino 内，Arduino 在设定的程序控制下令LED 显示屏实时显示对应的时间值，并使蜂鸣器先后发出不同频率的声音，两个LED 灯先后亮起红光和绿光，提醒其人员记录数据。属于该装置的核心大脑部位。

1602 显示屏：属于简单的彩色电子显示屏，支持开源硬件，开放的源代码，可以与Arduino 连接，实现简单的显示输出，可控性强。

1.2.2 控制部分

本装置使用Arduino Uno 开发板为实现核心，实现控制CCD 捕捉小球读数、计时、控制光源开关的功能。通过Arduino UNO 开发板编程操控TSL1401 线性CCD，不断得到TSL1401 线性CCD 读取到的128 个检测点的电压值，并在电脑上反馈成128 个像素黑白图像，当小球经过时，光线改变，使得TSL1401 线性CCD 感应到的光信号发生改变，对应的电压值和数据图像也会改变，并将此电压值和数据图像传导到主控板中，即可记录小球经过（如图2所示）[2]。

图2 小球未经过与经过的图像

图3 小球捕捉率对比

通过Arduino 绘图监视器调节TSL1401 线性CCD 的焦距，当有小球经过CCD 时，CCD 采集的数据图像会有明显变化，通过程序依次计算128 组数据相邻的差值，对比环境差值的最大值，当数据差值大于环境差值最大值时即是小球经过CCD 的时刻，程序进行计时。通过编程操作电路板上的旋钮扭动时，使得CCD 测量的环境光线即将饱和的临界状态，使得CCD 更稳定，按下复位键，就可以计算小球下落经过CCD 的时间，并显示在显示屏上。

2 实验结果

2.1 传统实验装置与改进后实验装置实验数据对比

2.1.1 小球捕捉率对比

实验测量使用TSL1401线性CCD捕捉小球下落成功率与传统光电门测量捕捉小球下落轨迹成功率做对比[2]。实验使用直径1mm小球使其下落，分别用传统光电门与TSL1401线性CCD测量，重复进行实验共计测量100 次。

表1 与表2 为“激光发射器与接收器”与“TSL1401 线性CCD”测量相同条件下100 组小球下落实验捕捉数据。

表1 传统仪器测1mm 小球下落时间

2.1.2 测量结果扇形图对比

由新旧实验仪器对比中发现：用TSL1401 线性CCD 测量，小球捕捉率明显提升，相对于传统实验仪器激光发射器与接收器对比，小球捕捉率显著提高（见表3）。

3 结语

本装置所测得实验数据的误差符合实验要求，精确度高。本装置使用的TSL1401 线性CCD 测量范围广阔，能够更大程度上地识别到小球运动下落的轨迹，有效提高了小球的捕捉成功率。由于小球捕捉范围显著提升，实验过程中不是严格地在量筒中心位置下落也能捕捉小球轨迹，对于小球初始位置的要求也放宽要求，一定程度上简化了实验操作。改进后的实验装置设计简洁，对电源要求不高，装置成本低，安全性能良好，可运用于实验室测量与教学，适合推广使用。